第二章机器人应用

1、第二章机器人应用第二章机器人应用机器人的大脑机器人的大脑 机器人要模仿人的一部分行为特征，机器人要模仿人的一部分行为特征，自然应该具有人脑的一部分功能。机器人自然应该具有人脑的一部分功能。机器人的大脑就是我们所熟悉的电脑。但是光有的大脑就是我们所熟悉的电脑。但是光有电脑发号施令还不行，最基本的还得给机电脑发号施令还不行，最基本的还得给机器人装上各种感觉器官。器人装上各种感觉器官。 机器人必须有机器人必须有“手手”，这样它才能根据电脑发出的，这样它才能根据电脑发出的“命命令令”动作。动作。“手手”不仅是一个执行命令的机构，它还应该具有不仅是一个执行命令的机构，它还应该具有识别的功能，这就是我们通

2、常所说的识别的功能，这就是我们通常所说的“触觉触觉”。由于动物和人。由于动物和人的听觉器官和视觉器官并不能感受所有的自然信息，所以触觉的听觉器官和视觉器官并不能感受所有的自然信息，所以触觉器官就得以存在和发展。动物对物体的软，硬，冷，热等的感器官就得以存在和发展。动物对物体的软，硬，冷，热等的感觉就是靠的触觉器官。在黑暗中看不清物体的时候，往往要用觉就是靠的触觉器官。在黑暗中看不清物体的时候，往往要用手去摸一下，才能弄清楚。大脑要控制手，脚去完成指定的任手去摸一下，才能弄清楚。大脑要控制手，脚去完成指定的任务，也需要由手和脚的触觉所获得的信息反馈到大脑里，以调务，也需要由手和脚的触觉所获得的信

3、息反馈到大脑里，以调节动作，使动作适当。因此，我们给机器人装上的手应该是一节动作，使动作适当。因此，我们给机器人装上的手应该是一双会双会“摸摸”的、有识别能力的灵巧的的、有识别能力的灵巧的“手手”。机器人的手机器人的手 机器人的手一般由方形的手掌和机器人的手一般由方形的手掌和节状的手指组成。为了使它具有触觉，节状的手指组成。为了使它具有触觉，在手掌和手指上都装有带有弹性触点在手掌和手指上都装有带有弹性触点的触敏元件（如灵敏的弹簧测力计）。的触敏元件（如灵敏的弹簧测力计）。如果要感知冷暖，还可以装上热敏元如果要感知冷暖，还可以装上热敏元件。当触及物体时，触敏元件发出接件。当触及物体时，触敏元件发

4、出接触信号，否则就不发出信号。在各指触信号，否则就不发出信号。在各指节的连接轴上装有精巧的电位器（一节的连接轴上装有精巧的电位器（一种利用转动来改变电路的电阻因而输种利用转动来改变电路的电阻因而输出电流信号的元件），它能把手指的出电流信号的元件），它能把手指的弯曲角度转换成弯曲角度转换成“外形弯曲信息外形弯曲信息”。把外形弯曲信息和各指节产生的把外形弯曲信息和各指节产生的“接接触信息触信息”一起送入电子计算机，通过一起送入电子计算机，通过计算就能迅速判断机械手所抓的物体计算就能迅速判断机械手所抓的物体的形状和大小。的形状和大小。 现在，机器人的手已现在，机器人的手已经具有了灵巧的指，腕，经具有

5、了灵巧的指，腕，肘和肩胛关节，能灵活自肘和肩胛关节，能灵活自如的伸缩摆动，手腕也会如的伸缩摆动，手腕也会转动弯曲。通过手指上的转动弯曲。通过手指上的传感器还能感觉出抓握的传感器还能感觉出抓握的东西的重量，可以说已经东西的重量，可以说已经具备了人手的许多功能。具备了人手的许多功能。 目前，意大利科学家最新研制一种机器人皮肤，可灵敏地感目前，意大利科学家最新研制一种机器人皮肤，可灵敏地感应到应到1克重物体的压力。克重物体的压力。 这种最新机器人皮肤是由三角状柔性印刷电路板构成，它的这种最新机器人皮肤是由三角状柔性印刷电路板构成，它的作用相当于传感器，能够覆盖在机器人表面。每个三角状柔性作用相当于传

6、感器，能够覆盖在机器人表面。每个三角状柔性印刷电路板的边长各印刷电路板的边长各3厘米，并包含厘米，并包含12个电容铜触点。一层硅橡个电容铜触点。一层硅橡胶层作为间距位于电路板和外层合力纤维之间，该橡胶层在每胶层作为间距位于电路板和外层合力纤维之间，该橡胶层在每个电路板的电容铜触点上都有相对个电路板的电容铜触点上都有相对应的铜触点。外层合力纤维层和柔应的铜触点。外层合力纤维层和柔性印刷电路板正反两面都带有压力性印刷电路板正反两面都带有压力感应电容器。经测试这种机器人皮感应电容器。经测试这种机器人皮肤的每个柔性印刷电路板可感应到肤的每个柔性印刷电路板可感应到重量重量1克物体的压力，同时它也是克物体

7、的压力，同时它也是半传导基础的温度传感器。半传导基础的温度传感器。 工业机器人手部的作用与分类工业机器人手部的作用与分类（1 1）作用）作用：机器人的手部又称为末端执行器，它是：机器人的手部又称为末端执行器，它是机器人直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或操持专用机器人直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或操持专用工具（如喷枪、扳手、砂轮、焊枪等）进行操作的部件，工具（如喷枪、扳手、砂轮、焊枪等）进行操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的最它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的最前端。前端。（2 2）分类）分类：根据机器人手部的工作原理不同，大致：根据机器人手部的工作原理不

8、同，大致可分为以下几类：可分为以下几类：机械夹持式手机械夹持式手吸附式手吸附式手专用手专用手灵巧手灵巧手1 1、机械夹持式、机械夹持式（1 1）组成）组成 机械夹持式手由手指（或手爪）、驱动机构、传机械夹持式手由手指（或手爪）、驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成，它通过手指的开、合动机构及连接与支承元件组成，它通过手指的开、合动作实现对物体的夹持操作。动作实现对物体的夹持操作。 （2 2）分类）分类 按手爪的运动方式分为按手爪的运动方式分为回转型回转型和和平移型平移型。 按夹持工件的方式分为按夹持工件的方式分为外夹式外夹式和和内撑式内撑式。按驱动方式分为电动、液动、气动和弹性力驱动。按驱动

9、方式分为电动、液动、气动和弹性力驱动。 （3 3）典型结构）典型结构 弹性力手弹性力手 弹性力手的特点是其弹性力手的特点是其夹持工件的抓力是由弹性夹持工件的抓力是由弹性元件提供的，不需要专门元件提供的，不需要专门的驱动装置，在抓取工件的驱动装置，在抓取工件时需要一定的压入力，而时需要一定的压入力，而在取下时，则需要一定的在取下时，则需要一定的拉力。拉力。回转型手回转型手 回转运动形式是机器人机械回转运动形式是机器人机械夹持式手最基本的形式，常用的夹持式手最基本的形式，常用的机构有：机构有： 楔块杠杆式楔块杠杆式 楔块杠杆式回转型手当驱动楔块杠杆式回转型手当驱动器推动楔块前进时，通过楔块的器推动

10、楔块前进时，通过楔块的斜面与杠杆作用，使手爪产生夹斜面与杠杆作用，使手爪产生夹紧动作和夹紧力，当楔块后退时，紧动作和夹紧力，当楔块后退时，靠弹簧的拉力使手爪松开。靠弹簧的拉力使手爪松开。滑槽杠杆式滑槽杠杆式 滑槽杠杆式回转型手滑槽杠杆式回转型手当驱动器推动中心杆向上当驱动器推动中心杆向上运动时，圆柱销在两杠杆运动时，圆柱销在两杠杆的滑槽中移动，迫使与支的滑槽中移动，迫使与支架相铰接的手爪产生夹紧架相铰接的手爪产生夹紧动作和夹紧力，当中心杆动作和夹紧力，当中心杆向下运动时，手抓松开。向下运动时，手抓松开。 连杆杠杆式连杆杠杆式 连杆杠杆式回转型手当驱动器连杆杠杆式回转型手当驱动器推动中心杆上下运

11、动时，由中心杆、推动中心杆上下运动时，由中心杆、连杆、手爪和支架就构成四杆机构，连杆、手爪和支架就构成四杆机构，从而迫使手爪完成夹紧和松开动作。从而迫使手爪完成夹紧和松开动作。需要注意的是，当中心杆向下运动，需要注意的是，当中心杆向下运动，两个连杆处于一条水平线时，手爪两个连杆处于一条水平线时，手爪已闭合到最小极限位置，当中心杆已闭合到最小极限位置，当中心杆继续向下运动时，手爪不但不会闭继续向下运动时，手爪不但不会闭合的更紧，反而会松开，这是使用合的更紧，反而会松开，这是使用连杆杠杆式回转手时一定要避免的情况。连杆杠杆式回转手时一定要避免的情况。 齿轮齿条式齿轮齿条式 齿轮齿条式回转型手齿轮齿

12、条式回转型手中心杆的端部两侧有齿条，中心杆的端部两侧有齿条，与固定在手爪上的齿轮相与固定在手爪上的齿轮相啮合，当中心杆上下运动，啮合，当中心杆上下运动，在齿轮齿条的啮合作用下在齿轮齿条的啮合作用下就带动两个手爪回转，从就带动两个手爪回转，从而产生夹紧和松开动作。而产生夹紧和松开动作。 平移型手平移型手 平移型手的特点是两个手爪做相对的往复平移运动，平移型手的特点是两个手爪做相对的往复平移运动，从而实现对工件的夹紧和松开动作，它有直线式和圆弧式从而实现对工件的夹紧和松开动作，它有直线式和圆弧式之分，常用的机构有：之分，常用的机构有： 齿轮齿条式齿轮齿条式 齿轮齿条式平移型手两个手爪上都有齿条与过

13、渡齿轮齿轮齿条式平移型手两个手爪上都有齿条与过渡齿轮啮合。当拉动一个手爪时，另一个手爪就反向运动，如此啮合。当拉动一个手爪时，另一个手爪就反向运动，如此反复运动，即可完成手爪反复运动，即可完成手爪的夹紧与松开动作，也可的夹紧与松开动作，也可使过渡齿轮正、反旋转来使过渡齿轮正、反旋转来完成手爪的夹紧与松开动完成手爪的夹紧与松开动作。作。 螺母丝杠式螺母丝杠式 螺母丝杠式平移型手螺母丝杠式平移型手螺杆分成左右两段，其上螺杆分成左右两段，其上螺纹旋向相反，两手爪上螺纹旋向相反，两手爪上有与其配合的螺纹孔（即有与其配合的螺纹孔（即为螺母）。当螺杆正、反为螺母）。当螺杆正、反旋转时，两手爪就产生相旋转时

14、，两手爪就产生相对平移运动，从而实现加对平移运动，从而实现加紧和松开动作。紧和松开动作。 凸轮式凸轮式 凸轮式平移型手在凸轮式平移型手在与手爪连接的滑块上有与手爪连接的滑块上有导向槽和凸轮槽。当中导向槽和凸轮槽。当中心杆上下运动时，通过心杆上下运动时，通过滚子对凸轮槽的作用使滚子对凸轮槽的作用使滑块沿导向滚子做相对滑块沿导向滚子做相对平移运动，从而实现手平移运动，从而实现手爪的夹紧和松开动作。爪的夹紧和松开动作。 平行连杆式平行连杆式 平行连杆式平移型平行连杆式平移型手属于圆弧式平移型式手属于圆弧式平移型式手，其原理是采用平行手，其原理是采用平行四边形平动机构，使手四边形平动机构，使手爪在加紧

15、和松开的过程爪在加紧和松开的过程中保持方向不变，从而中保持方向不变，从而实现平行移动，但手爪实现平行移动，但手爪上任一点的运动轨迹为圆弧摆动。需要注意的是，这种上任一点的运动轨迹为圆弧摆动。需要注意的是，这种手爪在夹持工件的瞬时，对工件表面有一个切向分力。手爪在夹持工件的瞬时，对工件表面有一个切向分力。 2 2、吸附式、吸附式（1 1）分类）分类 吸附式手靠吸附力抓取工件，特别适用于大平面吸附式手靠吸附力抓取工件，特别适用于大平面（单面接触无法抓取）、易碎（玻璃制品）、微小（单面接触无法抓取）、易碎（玻璃制品）、微小（不易抓取）的工件或物体，与机械夹持式手相比，（不易抓取）的工件或物体，与机械

16、夹持式手相比，具有结构简单、重量轻、抓取力分布均匀的优点，适具有结构简单、重量轻、抓取力分布均匀的优点，适用面较广。用面较广。 根据吸附力的产生方法不同，将其分为：根据吸附力的产生方法不同，将其分为： 气吸式气吸式 磁吸式磁吸式 （2 2）气吸式）气吸式 气吸式手是利用吸盘内的压力与外界大气压之间形气吸式手是利用吸盘内的压力与外界大气压之间形成的压力差来工作的，根据压力差形成的原理不同，可成的压力差来工作的，根据压力差形成的原理不同，可分为：分为： 挤压排气式挤压排气式 气流负压式气流负压式真空抽气式真空抽气式 挤压排气式挤压排气式 挤压排气式吸附式手当抓取挤压排气式吸附式手当抓取工件时，橡胶

17、吸盘压紧工件从而工件时，橡胶吸盘压紧工件从而发生变形，挤出腔内多余的空气，发生变形，挤出腔内多余的空气，当手上升时，靠橡胶吸盘的恢复当手上升时，靠橡胶吸盘的恢复力是其腔内与外界气压之间形成力是其腔内与外界气压之间形成负压，从而将工件吸住。释放工负压，从而将工件吸住。释放工件时，压下拉杆，使吸盘腔与大件时，压下拉杆，使吸盘腔与大气相连通而失去负压。挤压排气气相连通而失去负压。挤压排气式吸附式手结构简单，但吸附力式吸附式手结构简单，但吸附力有限，吸附状态不易长期保持。有限，吸附状态不易长期保持。 气流负压式气流负压式 气流负压式吸附式手利气流负压式吸附式手利用流体力学的原理，当需要用流体力学的原理

18、，当需要抓取工件时，压缩空气高抓取工件时，压缩空气高速流经喷嘴时，其出口处的速流经喷嘴时，其出口处的气压低于吸盘腔内的气压，气压低于吸盘腔内的气压，于是腔内的气体被高速气流于是腔内的气体被高速气流带走而形成负压，由此产生带走而形成负压，由此产生吸力，完成抓取工件的动作，当需要释放工件吸力，完成抓取工件的动作，当需要释放工件时，切断高速高压空气即可。气流负压式吸附式手时，切断高速高压空气即可。气流负压式吸附式手需要的高速高压空气在工厂里容易取得，故成本低，需要的高速高压空气在工厂里容易取得，故成本低，且吸附可靠，控制简单。且吸附可靠，控制简单。 真空抽气式真空抽气式 真空抽气式吸附式手其真真空抽

19、气式吸附式手其真空是由真空泵抽气产生的，真空是由真空泵抽气产生的，真空度较高，所以吸附力最大。空度较高，所以吸附力最大。当需要抓取工件时，碟形橡胶当需要抓取工件时，碟形橡胶吸盘与工件表面接触，橡胶吸吸盘与工件表面接触，橡胶吸盘的边缘既起到密封作用，又盘的边缘既起到密封作用，又起到缓冲作用，然后真空泵抽气，吸盘腔内形成真起到缓冲作用，然后真空泵抽气，吸盘腔内形成真空，产生吸力，从而完成抓取工件动作，当需要释放空，产生吸力，从而完成抓取工件动作，当需要释放工件时，管路接通大气，吸盘腔内失去真空即可。真工件时，管路接通大气，吸盘腔内失去真空即可。真空抽气式吸附式手工作可靠，吸附力大，但需要真空空抽气式吸附式手工作可靠，吸附力大，但需要真空系统，成本较高。系统，成本较高。 （3 3）磁吸式）磁吸式 磁吸式手是利用磁场产生的磁吸力来抓取工件磁吸式手是利用磁场产生的磁吸力来抓取工件的，因此只能对铁磁性工件起作用（钢、铁等材料的，因此只能对铁磁性工件起作用（钢、铁等材料在温度超过在温度超过723723时就会失去磁性），另外，对不时就会失去磁性），另外，对不允许有剩磁的工件要禁止使用，所以磁吸式手的使允许有剩磁的工件要禁止使用，所以磁吸式手的使用有一定的局限性。用有一定的局限性。 根据磁场产生的方法不同，磁吸式手可分为：根据磁场产生的方法不同，磁吸式手可分为：